CN113410054B - 一种用于抑制emi的低电感差共模集成的卷绕式电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于抑制EMI的低电感差共模集成的卷绕式电容器，可用于电力电子系统的直流侧。电容器包括两端开口的筒状金属外壳(1)和位于其筒腔中至少卷绕两圈的卷绕层(2)，以及外壳(1)的两个端口处绝缘固定的金属极板(3)和接地金属极板(4)。与现有技术相比，本发明在卷绕层中设置有接地箔，利用互感相消的原理减小电容器的寄生电感，提高电容的高频噪声抑制能力。此外，卷绕层中阴极箔、阳极箔、接地箔与共模电介质层组成了共模电容，阴极箔、阳极箔与差模电介质层组成了差模电容，实现了将共模电容与差模电容集成在一个元件中，减少元件数目，从而减小体积占用。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种卷绕式电容器，具体涉及一种用于抑制电力电子系统的直流侧电磁干扰EMI的低电感差共模集成的卷绕式电容器。
背景技术
在电力电子系统中，开关器件的快速开通和关断会产生宽频带、高能量的电磁干扰，是系统中的重要干扰源。开关器件产生的电磁干扰会沿供电线路传播，形成传导干扰，影响电源设备的稳定与安全，影响负载的正常工作。同时，这些电磁噪声中含有丰富的频谱分量，其中的高频噪声还会向外辐射电磁干扰，采集控制系统、无线电通信设备、导航定位设备这类对电磁辐射十分敏感的电子设备，极易受到外部电磁辐射的影响。
电气与电子产品的电磁兼容问题得到了广泛关注，许多国家和组织都制定了一系列电磁兼容标准，只有符合标准的产品才能进入市场，这就要求对电力电子系统中的电磁干扰进行抑制。电容器元件可以在电路中构建低阻抗的路径，实现滤波功能，因此广泛应用于EMI抑制的场合。EMI分为差模噪声与共模噪声，相应的，用于滤波的电容也有差模电容与共模电容之分。其中，跨接在正负母线之间用于抑制差模噪声的电容被称为差模电容，接在单线与地之间用于抑制共模噪声的电容被称为共模电容。
实际使用中的电容器并不是理想的电容，由于自身结构的限制，不可避免地具有寄生电感，如果寄生电感较高，即便流过电流的频率较低也会形成较高的电压尖峰，而噪声电流通常包含大量高频分量，因此在用于抑制EMI时，高寄生电感的电容器是难以接受的。卷绕式的电容器由于采用了卷绕的制作方式，通常电感量较低，例如申请公布号为CN107424843A，名称为“低电感电容器”的专利申请，公开了一种卷绕式的低电感电容器，该发明电容器膜卷绕在第一缠绕导电层与第二缠绕导电层之间的区域上，通过卷绕式的结构降低寄生电感。该发明虽然能对低频噪声起到良好的抑制作用，但其卷绕层内只有两层导体层，对寄生电感的抑制效果有限，导致对于高频噪声衰减能力不足，不能满足EMI抑制的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种用于抑制EMI的低电感差共模集成的卷绕式电容器，旨在降低电容器的寄生电感，并实现小型化。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于抑制电磁干扰EMI的低电感差共模集成的卷绕式电容器，包括两端开口的筒状金属外壳1和位于其筒腔中至少卷绕两圈的卷绕层2；所述卷绕层2包括依次层叠的尺寸为L*H第一差模电介质层21、第一共模电介质层22、第二共模电介质层23和第二差模电介质层24，所述第一差模电介质层21与第一共模电介质层22之间设置有阴极箔25，所述第一共模电介质层22与第二共模电介质层23之间设置有接地箔26，用于降低电容器的寄生电感，第二共模电介质层23与第二差模电介质层24之间设置有阳极箔27；所述外壳1的两个端口处各绝缘固定有一个金属极板3和一个接地金属极板4，且每个端口的金属极板3与接地金属极板4绝缘固定，其中一个金属极板3与阴极箔25多点连接，另一个金属极板3与阳极箔27多点连接，两个接地金属极板4与接地箔26多点连接；
所述第一差模电介质层21与第二差模电介质层24采用相同的介质材料，第一共模电介质层22与第二共模电介质层23采用相同的介质材料；
当与阳极箔27连接的金属极板3和与阴极箔25连接的金属极板3分别加载在直流电源的正负母线之间时，阴极箔25、第一共模电介质层22和接地箔26共同组成了负极对地的共模电容，接地箔26、第二共模电介质层23和阳极箔27共同组成了正极对地的共模电容，阴极箔25、第一差模电介质层21、第二差模电介质层24以及阳极箔27共同组成了正极与负极之间的差模电容，实现电容器的差共模集成特性。
上述一种用于抑制电磁干扰EMI的低电感差共模集成的卷绕式电容器，所述卷绕层2，其中与两个金属极板3连接的阴极箔25和阳极箔27，以及与两个接地金属极板4连接的接地箔26，在高度方向上的尺寸H大于外壳1的高度尺寸。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明采用的卷绕层中一个差模电介质层与一个共模电介质层之间设置有阴极箔，另一个差模电介质层与另一个共模电介质层之间设置有阳极箔，两个共模电介质层之间设置有接地箔，接地箔中的电流方向与两侧的阳极箔、阴极箔中的电流方向相反，实现了电感的互感相消，电容器的寄生电感更低，且卷绕层的导电金属箔与极板之间采用了多点连接的方式，缩短了电流的路径，进一步降低了寄生电感，与现有技术相比，有效地提高了对高频噪声的抑制能力。
2.本发明的卷绕层接地箔分别与阳极箔、阴极箔以及金属箔之间的共模电介质组成了共模电容，在卷绕之后，阴极箔又与的阳极箔以及它们之间的电介质组成了差模电容，实现了将差模电容和共模电容集成在同一个电容器中，与现有技术相比，减小了电容器的体积，实现了小型化。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明卷绕层的展开结构示意图；
图3是本发明卷绕层的立体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明包括两端开口的筒状金属外壳1和位于其筒腔中至少卷绕两圈的卷绕层2。
综合考虑重量、机械强度与造价等因素，本实施例外壳1选用铝合金材料。
所述卷绕层2的结构如图2和图3所示，包括依次层叠的第一差模电介质层21、第一共模电介质层22、第二共模电介质层23和第二差模电介质层24，所述第一差模电介质层21与第一共模电介质层22之间设置有阴极箔25，所述第一共模电介质层22与第二共模电介质层23之间设置有接地箔26，用于降低电容器的寄生电感，第二共模电介质层23与第二差模电介质层24之间设置有阳极箔27；所述外壳1的两个端口处各绝缘固定有一个金属极板3和一个接地金属极板4，且每个端口的金属极板3与接地金属极板4绝缘固定，其中一个金属极板3与阴极箔25多点连接，另一个金属极板3与阳极箔27多点连接，两个接地金属极板4与接地箔26多点连接。所述卷绕层2，其中与两个金属极板3连接的阴极箔25和阳极箔27，以及与两个接地金属极板4连接的接地箔26，在高度方向上的尺寸大于第一差模电介质层21、第一共模电介质层22、第二共模电介质层23和第二差模电介质层24的高度尺寸。
阴极箔25在圆筒的其中一端延伸，在高度方向上大于四层电介质层的部分与金属极板3多点连接连接，阳极箔27在圆筒的另一端延伸，在高度方向上大于四层电介质层的部分与该端的金属极板3连接，接地箔26向两端延伸，在高度方向上大于四层电介质层的部分与接地金属极板4连接，这种多点连接的方式有效增大了金属箔与金属极板的接触面积，同时缩短了电流在卷绕层中通过的路径，进一步减小了寄生电感。
所述第一差模电介质层21与第二差模电介质层24采用相同的介质材料，第一共模电介质层22与第二共模电介质层23采用相同的介质材料；
绝大部分电容器都可以视作平行板电容器模型的变形，所述四层电介质层为电容模型中两极板之间的介质材料，介质材料必须具有绝缘特性，优先选择高介电常数和较低能量损耗材料，本实施例中选用聚对苯二甲酸乙二醇酯PET作为介质材料。所述三层金属箔为电容模型中储存电荷的极板，金属箔各自都是等电势体，要求具备良好的导电性能，综合考虑导电能力与成本，本实施例中使用铝箔，金属极板与接地金属板均为铝质极板。
所述卷绕层2至少卷绕两圈，当与阳极箔27连接的金属极板3和与阴极箔25连接的金属极板3分别加载在直流电源的正负母线之间时，阴极箔25、第一共模电介质层22和接地箔26共同组成了负极对地的共模电容，接地箔26、第二共模电介质层23和阳极箔27共同组成了正极对地的共模电容，阴极箔25、第一差模电介质层21、第二差模电介质层24以及阳极箔27共同组成了正极与负极之间的差模电容，实现电容器的差共模集成特性。
在卷绕时，第一差模电介质层21位于内侧，第二差模电介质层24位于外侧，在卷绕至少两圈后，位于外圈内侧的阴极箔25、第一差模电介质层21与位于内圈外侧的第二差模电介质层24、阳极箔27共同组成了差模电容，如果卷绕不足两圈，则无法组成差模电容，此时的电容器会失去差模特性。电容器的差共模集成特性，使得原本电力电子系统中需要各自单独配置的差模电容与共模电容可被一个差共模集成的电容替代，从而减少了元件使用数量，从总体上减小了电容器所占的体积。
本发明的工作原理是：
本发明利用了电感互感相消的原理，在卷绕层中设置接地层，使得接地层中的电流流向两端的接地金属极板，接地层中的电流方向分别与阳极箔、阴极箔中的电流方向相反，使电感相抵消，减小了寄生电感。当电容器加载在直流电源的正负母线之间时，阴极箔、阳极箔、接地箔与它们之间的电介质共同组成了共模电容，在卷绕之后，阴极箔、阳极箔又与它们之间的电介质共同组成了差模电容，巧妙实现了电容的差共模集成，减小了体积。
以上描述仅是本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于抑制电磁干扰EMI的低电感差共模集成的卷绕式电容器，其特征在于，包括两端开口的筒状金属外壳(1)和位于其筒腔中至少卷绕两圈的卷绕层(2)；所述卷绕层(2)包括依次层叠的尺寸为L*H第一差模电介质层(21)、第一共模电介质层(22)、第二共模电介质层(23)和第二差模电介质层(24)；所述第一差模电介质层(21)与第一共模电介质层(22)之间设置有阴极箔(25)；所述第一共模电介质层(22)与第二共模电介质层(23)之间设置有接地箔(26)，用于降低电容器的寄生电感；第二共模电介质层(23)与第二差模电介质层(24)之间设置有阳极箔(27)；所述外壳(1)的两个端口处各绝缘固定有一个金属极板(3)和一个接地金属极板(4)，且每个端口的金属极板(3)与接地金属极板(4)绝缘固定，其中一个金属极板(3)与阴极箔(25)多点连接，另一个金属极板(3)与阳极箔(27)多点连接，两个接地金属极板(4)与接地箔(26)多点连接；
所述第一差模电介质层(21)与第二差模电介质层(24)采用相同的介质材料，第一共模电介质层(22)与第二共模电介质层(23)采用相同的介质材料；
当与阳极箔(27)连接的金属极板(3)和与阴极箔(25)连接的金属极板(3)分别加载在直流电源的正负母线之间时，阴极箔(25)、第一共模电介质层(22)和接地箔(26)共同组成了负极对地的共模电容，接地箔(26)、第二共模电介质层(23)和阳极箔(27)共同组成了正极对地的共模电容，阴极箔(25)、第一差模电介质层(21)、第二差模电介质层(24)以及阳极箔(27)共同组成了正极与负极之间的差模电容，实现电容器的差共模集成特性。
2.根据权利要求1所述的一种用于抑制电磁干扰EMI的低电感差共模集成的卷绕式电容器，其特征在于，所述卷绕层(2)，其中与两个金属极板(3)连接的阴极箔(25)和阳极箔(27)，以及与两个接地金属极板(4)连接的接地箔(26)，在高度方向上的尺寸H大于第一差模电介质层(21)、第一共模电介质层(22)、第二共模电介质层(23)和第二差模电介质层(24)的高度尺寸。
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